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@maskot1977(Ikemen Mas Kot)

ChatGPT と Python で学ぶ IPアドレスサブネットマスク早見表

Posted at

user:

IPアドレスサブネットマスク早見表について、詳細かつ厳密に説明してください。

assistant:

IPアドレスとサブネットマスクの早見表（サブネットテーブル）について、詳細かつ厳密に説明します。

1. IPアドレスとサブネットマスクの基本

(1) IPアドレスとは

IPアドレス（Internet Protocol Address）は、ネットワーク上の各デバイスを識別するための数値表記です。IPv4では 32ビット（4オクテット）で構成され、通常は「ドット区切り表記（例: 192.168.1.1）」で表されます。

(2) サブネットマスクとは

サブネットマスクは、IPアドレスを ネットワーク部 と ホスト部 に分割するためのビットマスクです。例えば、「255.255.255.0」というサブネットマスクは、最初の3オクテット（24ビット）がネットワーク部で、残りの1オクテット（8ビット）がホスト部であることを意味します。

2. サブネットマスク早見表

以下に、IPv4のサブネットマスクごとの詳細情報を示します。

CIDR表記 サブネットマスク ネットワーク部 ホスト部 ホスト数（2ⁿ-2） ワイルドカードマスク
/8 255.0.0.0 8ビット 24ビット 16,777,214 0.255.255.255
/9 255.128.0.0 9ビット 23ビット 8,388,606 0.127.255.255
/10 255.192.0.0 10ビット 22ビット 4,194,302 0.63.255.255
/11 255.224.0.0 11ビット 21ビット 2,097,150 0.31.255.255
/12 255.240.0.0 12ビット 20ビット 1,048,574 0.15.255.255
/13 255.248.0.0 13ビット 19ビット 524,286 0.7.255.255
/14 255.252.0.0 14ビット 18ビット 262,142 0.3.255.255
/15 255.254.0.0 15ビット 17ビット 131,070 0.1.255.255
/16 255.255.0.0 16ビット 16ビット 65,534 0.0.255.255
/17 255.255.128.0 17ビット 15ビット 32,766 0.0.127.255
/18 255.255.192.0 18ビット 14ビット 16,382 0.0.63.255
/19 255.255.224.0 19ビット 13ビット 8,190 0.0.31.255
/20 255.255.240.0 20ビット 12ビット 4,094 0.0.15.255
/21 255.255.248.0 21ビット 11ビット 2,046 0.0.7.255
/22 255.255.252.0 22ビット 10ビット 1,022 0.0.3.255
/23 255.255.254.0 23ビット 9ビット 510 0.0.1.255
/24 255.255.255.0 24ビット 8ビット 254 0.0.0.255
/25 255.255.255.128 25ビット 7ビット 126 0.0.0.127
/26 255.255.255.192 26ビット 6ビット 62 0.0.0.63
/27 255.255.255.224 27ビット 5ビット 30 0.0.0.31
/28 255.255.255.240 28ビット 4ビット 14 0.0.0.15
/29 255.255.255.248 29ビット 3ビット 6 0.0.0.7
/30 255.255.255.252 30ビット 2ビット 2 0.0.0.3
/31 255.255.255.254 31ビット 1ビット 2（ポイントツーポイント用） 0.0.0.1
/32 255.255.255.255 32ビット 0ビット 1（1ホストのみ） 0.0.0.0

3. 重要なポイント

(1) ホスト数の計算

ホスト数は 2^ホスト部ビット数 - 2 で計算されます（ネットワークアドレスとブロードキャストアドレスを除く）。
例: /24（255.255.255.0） の場合、ホスト部は8ビットなので 2^8 - 2 = 254。

ただし、/31（255.255.255.254）の場合は、ポイントツーポイント接続でブロードキャストアドレスが不要なので「2台利用可能」となります。

(2) ワイルドカードマスク

ワイルドカードマスクは、サブネットマスクの 反転 で、ACL（アクセスリスト）などのフィルタリング設定に使用されます。
例: /24（255.255.255.0） の場合、ワイルドカードマスクは 0.0.0.255。

(3) CIDR（Classless Inter-Domain Routing）

従来のクラスベースのIPアドレス（クラスA, B, C）は柔軟性が低いため、CIDR表記（/24 などのスラッシュ表記）が標準になりました。CIDRにより柔軟なサブネット分割が可能です。

4. まとめ

  • サブネットマスクは、ネットワーク部とホスト部を区切るために使用される
  • CIDR表記（スラッシュ表記）を用いると、柔軟なサブネット管理が可能
  • ホスト数の計算は 2^ホスト部ビット数 - 2
  • ワイルドカードマスクは、サブネットマスクの補数

この早見表を活用すれば、ネットワーク設計やIPアドレスの割り当てがスムーズに行えます。

user:

10.242.1.0 から 10.242.33.0 はスラッシュ表記をしたらどう書きますか？また、それはなぜですか？

assistant:

10.242.1.0 から 10.242.33.0 までの範囲をカバーする最小のCIDR表記を求めます。

1. IPアドレス範囲の確認

  • 開始IP: 10.242.1.0
  • 終了IP: 10.242.33.0

この範囲をカバーするための 最小のCIDRブロック を求めます。

2. 必要なアドレス数を計算

  • 10.242.1.0 から 10.242.33.0 の範囲は 10.242.1.0 から 10.242.32.255 を含むと考えます（10.242.33.0 は次のサブネット開始アドレスの可能性があるため）。

  • 10.242.1.0 から 10.242.32.255 までの IPアドレス数 は：

    [
    10.242.32.255 - 10.242.1.0 + 1 = (32 × 256) - (1 × 256) = 8192
    ]

    よって、8192個のIPアドレス をカバーする必要があります。

3. 最適なCIDRブロックを求める

8192のアドレスをカバーするのに必要なビット数を求める

  • 2^N に最も近い N を求める
  • 8192 = 2^13 なので 13ビットのホスト部が必要
  • IPv4は 32ビット なので、32 - 13 = 19
  • したがって、サブネットマスクは /19

4. サブネットの範囲を確認

  • 10.242.0.0/19 の範囲:
    • ネットワークアドレス: 10.242.0.0
    • ブロードキャストアドレス: 10.242.31.255
    • カバーするIP範囲: 10.242.0.0 〜 10.242.31.255
    • アドレス数: 8192

問題点:

  • 10.242.1.0 から 10.242.33.0 を含めるには 10.242.0.0/19 では不足。
  • 10.242.32.0 も含めるには /18 が必要。

5. 解答

  • 正しいCIDR表記: 10.242.0.0/18
  • 理由:
    • /18 のネットワークアドレスは 10.242.0.0
    • /18 のブロードキャストアドレスは 10.242.63.255
    • 10.242.1.0 から 10.242.33.0 までを 完全にカバー できる

したがって、10.242.1.0 から 10.242.33.0 を含む最小のCIDRブロックは 10.242.0.0/18 です。

user:

正しいCIDR表記を求めるPython関数を書いてください。詳細かつ厳密にお願いします。

assistant:

IPアドレスの範囲をカバーする最小のCIDR表記を求めるPython関数を厳密に実装します。
標準ライブラリの ipaddress を使用し、適切なビット演算を行います。

関数の仕様

  1. 入力

    • 開始IPアドレス（例: "10.242.1.0"）
    • 終了IPアドレス（例: "10.242.33.0"）

  2. 出力

    • CIDR表記（例: "10.242.0.0/18"）

  3. 動作

    • 開始IPから終了IPまでをカバーする最小のCIDRブロックを求める。
    • 必要なビット数を計算し、適切なサブネットマスクを決定する。

実装 

import ipaddress

def find_minimum_cidr(start_ip: str, end_ip: str) -> str:
    """
    指定されたIPアドレス範囲をカバーする最小のCIDRブロックを求める関数。

    :param start_ip: 開始IPアドレス（例: "10.242.1.0"）
    :param end_ip: 終了IPアドレス（例: "10.242.33.0"）
    :return: 最小のCIDR表記（例: "10.242.0.0/18"）
    """
    # IPアドレスを整数値に変換
    start_int = int(ipaddress.IPv4Address(start_ip))
    end_int = int(ipaddress.IPv4Address(end_ip))

    if start_int > end_int:
        raise ValueError("開始IPアドレスは終了IPアドレスより小さくなければなりません。")

    # 開始IPを基準とする最小のネットワークを求める
    prefix_length = 32
    while prefix_length > 0:
        # ネットワークアドレスを計算
        network = ipaddress.IPv4Network((start_ip, prefix_length), strict=False)
        
        # このネットワークが終了IPをカバーしているか確認
        if int(network.broadcast_address) >= end_int:
            return str(network)
        
        # プレフィックス長を短くして、範囲を広げる
        prefix_length -= 1

    # 万が一失敗した場合（ありえないはず）
    raise RuntimeError("適切なCIDRブロックを見つけることができませんでした。")

# テスト例
print(find_minimum_cidr("10.242.1.0", "10.242.33.0"))  # 出力例: "10.242.0.0/18"

コードの説明

  1. IPアドレスを整数に変換

    • ipaddress.IPv4Address(start_ip) でIPアドレスを整数表現に変換。
    • これにより、IPアドレスの範囲計算が容易になる。

  2. 開始IPを基準にネットワークを広げる

    • 最初は /32 で始め、プレフィックス長を短くしながら、終了IPを含む最小のネットワークを探す。
    • ipaddress.IPv4Network((start_ip, prefix_length), strict=False) を使い、開始IPからネットワークアドレスを計算。

  3. 終了IPをカバーする最小のネットワークを見つける

    • ネットワークのブロードキャストアドレスが end_ip 以上なら、そのネットワークが範囲をカバーする最小のCIDR。

  4. エラー処理

    • 開始IPが終了IPより大きい場合は ValueError を発生。
    • 万が一CIDRが見つからない場合（理論上は発生しない）は RuntimeError を発生。

動作確認

入力範囲 出力（CIDR表記）
"10.242.1.0", "10.242.33.0" "10.242.0.0/18"
"192.168.1.1", "192.168.1.200" "192.168.1.0/24"
"172.16.5.0", "172.16.20.255" "172.16.0.0/19"

この関数を使えば、どんなIPアドレス範囲でも 最小のCIDR表記 を求めることができます！

user:

ありがとうございます。ところでIPアドレスが10.とか192.とか172.とかで始まるのって、特別な意味があるんでしたっけ？

assistant:

はい、それらのIPアドレスは プライベートIPアドレス として予約されています。インターネット上では使用されず、LAN（ローカルエリアネットワーク） 内でのみ有効です。

1. プライベートIPアドレスとは？

プライベートIPアドレスは、RFC 1918 によって定められた インターネット上ではルーティングされない 特殊なアドレス範囲です。
通常、家庭や企業のネットワークで使用され、NAT（Network Address Translation）を介してインターネットと接続します。

プライベートIPアドレスの範囲

クラス IPアドレス範囲 サブネットマスク ホスト数（理論上）
クラスA 10.0.0.0 〜 10.255.255.255 255.0.0.0 (/8) 16,777,214
クラスB 172.16.0.0 〜 172.31.255.255 255.240.0.0 (/12) 1,048,574
クラスC 192.168.0.0 〜 192.168.255.255 255.255.0.0 (/16) 65,534

2. 各範囲の用途

  • 10.0.0.0/8（クラスA）

    • 企業の大規模ネットワーク向け
    • 一つの組織で 1,600万台以上 のデバイスが利用可能
    • 例: Google、Amazon などの大企業

  • 172.16.0.0/12（クラスB）

    • 中規模ネットワーク向け
    • 172.16.0.0 〜 172.31.255.255 の 16ブロック
    • 例: 大学・企業のVPN、クラウド環境

  • 192.168.0.0/16（クラスC）

    • 小規模ネットワーク（家庭用・小規模オフィス）向け
    • 一般的な 家庭用ルーター がデフォルトで 192.168.1.1
    • 例: 家庭のWi-Fi、企業の社内ネットワーク

3. グローバルIPとの違い

項目 プライベートIP グローバルIP
ルーティング インターネット不可 インターネット可能
使用範囲 LAN内のみ WAN（インターネット）
例 192.168.1.100, 10.0.0.200 8.8.8.8（Google DNS）, 1.1.1.1（Cloudflare DNS）

NAT（Network Address Translation） を使うことで、プライベートIPアドレスのデバイスもインターネットにアクセス可能です。

4. 特別なIPアドレス

プライベートIP以外にも、特定の用途で予約されているIPアドレスがあります。

範囲 用途 例
0.0.0.0/8 未指定アドレス 0.0.0.0
127.0.0.0/8 ループバックアドレス 127.0.0.1
169.254.0.0/16 APIPA（自動割り当て） 169.254.1.1
224.0.0.0/4 マルチキャスト 224.0.0.1
255.255.255.255 ブロードキャスト 255.255.255.255

まとめ

  • 10.x.x.x、192.168.x.x、172.16.x.x ～ 172.31.x.x は プライベートIP
  • プライベートIPは LAN内限定、インターネットに直接接続不可
  • インターネット通信には グローバルIP + NAT を使用
  • 127.0.0.1（ループバック）や 169.254.x.x（APIPA）などの特殊IPも存在

家庭のルーターのデフォルト設定などでもよく見る範囲ですね！

user:

ありがとうございました。それでは、今回の議論を詳細かつ厳密にまとめてください。

assistant:

IPアドレスのプライベート範囲とCIDR表記に関する詳細なまとめ

1. IPアドレスとサブネットマスクの基本

  • IPアドレス は、ネットワーク上のデバイスを識別するためのアドレス。
  • サブネットマスク によって、IPアドレスを ネットワーク部 と ホスト部 に分割する。
  • CIDR表記（Classless Inter-Domain Routing） を用いて、IPアドレスとプレフィックス長（例: /24）を組み合わせて表現する。

2. プライベートIPアドレス

プライベートIPアドレスは、RFC 1918 で定義され、インターネット上ではルーティングされない。
主にローカルネットワーク内（LAN）で使用され、NAT（Network Address Translation）を通じてインターネットへ接続する。

プライベートIPアドレス範囲

クラス 範囲 CIDR表記 使用例
A 10.0.0.0 ～ 10.255.255.255 10.0.0.0/8 大企業・クラウドネットワーク
B 172.16.0.0 ～ 172.31.255.255 172.16.0.0/12 VPN、企業LAN
C 192.168.0.0 ～ 192.168.255.255 192.168.0.0/16 家庭用Wi-Fi、オフィスLAN

プライベートIPアドレスの特徴

  • インターネットに直接接続できず、NATを使用してグローバルIPへ変換。
  • 複数のデバイスが同じプライベートIPアドレスを使用可能（異なるLAN内で）。

3. グローバルIPアドレスとの違い

項目 プライベートIP グローバルIP
ルーティング インターネット不可 インターネット可能
使用範囲 LAN内のみ WAN（インターネット）
例 192.168.1.100, 10.0.0.200 8.8.8.8（Google DNS）, 1.1.1.1（Cloudflare DNS）

NAT（Network Address Translation） を利用することで、プライベートIPをグローバルIPへ変換し、インターネット通信を実現する。

4. 特別なIPアドレス

プライベートIPアドレス以外にも、特定の用途に予約されたIPアドレスが存在する。

範囲 用途 例
0.0.0.0/8 未指定アドレス 0.0.0.0
127.0.0.0/8 ループバックアドレス（自身を指す） 127.0.0.1
169.254.0.0/16 APIPA（自動割り当て） 169.254.1.1
224.0.0.0/4 マルチキャスト 224.0.0.1
255.255.255.255 ブロードキャスト 255.255.255.255

5. CIDR表記の計算方法

特定のIPアドレス範囲をカバーする最小のCIDRを求めるために、以下の方法を用いる。

手動での計算手順

  1. 開始IPと終了IPを整数に変換（ビット演算で扱いやすくする）
  2. ネットワークアドレスとブロードキャストアドレスを求める
  3. 最小のプレフィックス長（サブネットマスク）を決定
  4. CIDR表記として出力

6. PythonによるCIDR計算

IPアドレス範囲をカバーする最小のCIDRを求めるPython関数を実装。

import ipaddress

def find_minimum_cidr(start_ip: str, end_ip: str) -> str:
    """
    指定されたIPアドレス範囲をカバーする最小のCIDRブロックを求める関数。

    :param start_ip: 開始IPアドレス（例: "10.242.1.0"）
    :param end_ip: 終了IPアドレス（例: "10.242.33.0"）
    :return: 最小のCIDR表記（例: "10.242.0.0/18"）
    """
    # IPアドレスを整数値に変換
    start_int = int(ipaddress.IPv4Address(start_ip))
    end_int = int(ipaddress.IPv4Address(end_ip))

    if start_int > end_int:
        raise ValueError("開始IPアドレスは終了IPアドレスより小さくなければなりません。")

    # 開始IPを基準とする最小のネットワークを求める
    prefix_length = 32
    while prefix_length > 0:
        # ネットワークアドレスを計算
        network = ipaddress.IPv4Network((start_ip, prefix_length), strict=False)
        
        # このネットワークが終了IPをカバーしているか確認
        if int(network.broadcast_address) >= end_int:
            return str(network)
        
        # プレフィックス長を短くして、範囲を広げる
        prefix_length -= 1

    # 万が一失敗した場合（ありえないはず）
    raise RuntimeError("適切なCIDRブロックを見つけることができませんでした。")

# テスト例
print(find_minimum_cidr("10.242.1.0", "10.242.33.0"))  # 出力例: "10.242.0.0/18"

7. 具体的な計算例

例: 10.242.1.0 から 10.242.33.0 をカバーする最小のCIDR

  1. IPアドレス範囲を計算

    • 10.242.1.0（開始）
    • 10.242.33.0（終了）

  2. 必要なアドレス数を求める

    • 10.242.1.0 〜 10.242.33.0 をカバーするには 8192個のアドレス が必要。

  3. CIDR決定

    • 8192 は 2^13 なので、32 - 13 = 19。
    • /19 では 10.242.0.0 ～ 10.242.31.255 までしかカバーできない。
    • /18 にすると 10.242.0.0 ～ 10.242.63.255 になり、範囲を完全にカバー。

結論: 10.242.0.0/18 が最小のCIDR表記

8. まとめ

  • 10.x.x.x、192.168.x.x、172.16.x.x～172.31.x.x は プライベートIP で、LAN内で使用される。
  • プライベートIPは インターネットに直接接続不可 で、NATを介して通信する。
  • CIDRを求める際は、最小のサブネットマスクを特定し、範囲全体をカバーできるようにする。
  • Pythonを使ってCIDR表記を自動計算できる。

これで、IPアドレス、サブネット、CIDR表記について 厳密かつ詳細に まとめました！ 🚀

user:

ありがとうございました。大変勉強になりました。

assistant:

どういたしまして！お役に立てて何よりです😊✨ IPアドレスやサブネットの話は奥が深く、ネットワーク設計やセキュリティにも直結する重要な分野なので、ぜひ引き続き学んでみてください！

また何か疑問があれば、いつでも聞いてくださいね！🚀🔥

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